本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，涉及風(fēng)電機組運行控制設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及到一種自適應(yīng)密度的風(fēng)電機組轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電是目前技術(shù)比較成熟、實用化程度較高、商業(yè)開發(fā)價值和市場競爭力較強的能源利用形式，近些年獲得長足發(fā)展，根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2014年底，中國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機容量接近1億千瓦。隨著規(guī)模的快速增長，行業(yè)內(nèi)對機組運行性能的關(guān)注也逐步升溫，相關(guān)研究已經(jīng)展開，發(fā)現(xiàn)了一些諸如機組運行效率達(dá)不到設(shè)計值，同等風(fēng)速下出力長期較保證功率偏低，額定功率對應(yīng)的風(fēng)速高于設(shè)計額定風(fēng)速；控制策略對密度適應(yīng)性差、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)不能很好地匹配葉輪等機械部件的調(diào)節(jié)特性等等問題。

通過分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組控制策略設(shè)定不當(dāng)是其中的主要原因。目前主流的變速恒頻雙饋機組整個運行曲線可分為四個工作區(qū)，分別是第一段升速并網(wǎng)、第二段cp最優(yōu)(最佳葉尖速比)、第三段轉(zhuǎn)速恒定、第四段功率恒定，上述機組效率偏低的情況主要以第二個運行階段為主。所謂最佳葉尖速比運行段是指機組通過控制電磁轉(zhuǎn)矩(以下簡稱轉(zhuǎn)矩)，調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對最大風(fēng)能捕捉系數(shù)的連續(xù)跟蹤。但在工程應(yīng)用中，由于精確測量風(fēng)速有一定難度，實際上通過計算和仿真，確定出設(shè)計條件下，機組運行于最佳葉尖速比區(qū)段時，機組轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系，形成轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線，機組圍繞該運行曲線進行調(diào)節(jié)。但是機組的實際運行環(huán)境千差萬別，在時空上均存在較大差異，空氣溫度、壓力、濕度時時刻刻都在發(fā)生變化，致使機組往往運行在非最優(yōu)曲線附近，造成一定的能量損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種自適應(yīng)空氣密度的機組轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制方法，將轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線由原來的一條變?yōu)橐淮兀鉀Q的是機組轉(zhuǎn)矩控制環(huán)設(shè)定值無法準(zhǔn)確響應(yīng)大氣參數(shù)變化的問題，使得機組在不同的空氣密度下，運行在不同的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線上。即根據(jù)所處環(huán)境不同，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，實現(xiàn)最優(yōu)工況發(fā)電。

本發(fā)明提出的機組轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制方法，包括以下步驟：

s1：研究并確立機組捕捉機械功與發(fā)電機組轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系；

s2：研究分析計算機組基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線對應(yīng)的基準(zhǔn)空氣密度及其設(shè)定工況大氣參數(shù)(包括溫度、壓力、濕度)；

s3：確定機組轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)設(shè)定值與大氣密度之間的關(guān)系；

s4：根據(jù)實測大氣溫度、壓力、濕度進行大氣密度計算，再根據(jù)實際大氣密度進行轉(zhuǎn)矩設(shè)定值的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明分析機組轉(zhuǎn)矩與大氣密度的關(guān)系，根據(jù)實測大氣密度實時調(diào)整機組轉(zhuǎn)矩控制設(shè)定值，提高機組對環(huán)境的適應(yīng)能力，實現(xiàn)機組自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線，充分利用變速機組對最佳葉尖速比的跟蹤優(yōu)勢，實現(xiàn)功率的最大轉(zhuǎn)化。

所述風(fēng)電機組捕捉機械功是指風(fēng)力機部分捕獲的功率，風(fēng)力機包括葉片、輪轂、主軸等部件及其相應(yīng)的調(diào)節(jié)機構(gòu)，其吸收的機械能大小與對風(fēng)和變槳有關(guān)，在不考慮機組對風(fēng)偏差的情況下，機組轉(zhuǎn)速與葉片來風(fēng)合流角有關(guān)。

所述機組基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線是指機組在設(shè)計環(huán)境下，在機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速段(即最佳葉尖速比段)，為實現(xiàn)機組最佳葉尖速比和最優(yōu)風(fēng)能捕捉系數(shù)，在機組設(shè)計階段，將機組轉(zhuǎn)矩與最佳轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系擬合為一條曲線，該條曲線上運行時機組維持在最佳葉尖速比，當(dāng)來風(fēng)發(fā)生變化風(fēng)輪轉(zhuǎn)速偏離最佳曲線時，機組調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)速回歸到最佳曲線。

所述機組轉(zhuǎn)矩是指與機組轉(zhuǎn)子相連的變流器將勵磁電流饋入轉(zhuǎn)子繞組，形成交變磁場，轉(zhuǎn)子在原動機輸入下帶動磁場旋轉(zhuǎn)，進而在定子繞組中形成感應(yīng)電流，在定子繞組中形成與轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)矩作用方向相反的轉(zhuǎn)矩。機械功與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可用下列公式表示，風(fēng)力機捕捉的機械功為：

用機械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩可表示為：

p＝tm·ωm＝te·ωe(2)

其中，tm表機械轉(zhuǎn)矩、ωm表低速軸轉(zhuǎn)速，te表發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩、ωe表發(fā)電機轉(zhuǎn)速，且n為齒輪箱變比。

所述基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線對應(yīng)的基準(zhǔn)空氣密度及其設(shè)計工況大氣參數(shù)是指在機組進行運行控制設(shè)計時，所對應(yīng)的大氣環(huán)境，以溫度、壓力、濕度表示其對應(yīng)的密度為：

其中，ρ0表大氣密度、t0表大氣溫度(絕對溫度)、b0表大氣壓力、φ表相對濕度、r0表干燥空氣氣體常數(shù)(287.05j/kg·k)、rw表水蒸汽氣體常數(shù)(461.5j/kg·k)，pw表蒸汽壓力，表達(dá)式為：

當(dāng)處于設(shè)計工況大氣運行時，機組在基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線上根據(jù)轉(zhuǎn)速變化調(diào)整轉(zhuǎn)矩設(shè)定值時，機組獲得最優(yōu)捕捉效率，同等輸入風(fēng)速下最大電磁功率輸出。

所述機組轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)設(shè)定值與大氣密度之間的關(guān)系是指，當(dāng)大氣密度發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)矩控制目標(biāo)設(shè)定值跟隨密度變化的關(guān)系式：

在機組物理屬性不發(fā)生變化、同樣的風(fēng)速輸入情況下，將轉(zhuǎn)矩設(shè)定值te^ref由原來的只是發(fā)電機轉(zhuǎn)速ωe單值函數(shù)變?yōu)榕cωe、大氣密度ρ都有關(guān)系的函數(shù)。

所述實測大氣溫度、壓力等參數(shù)進行轉(zhuǎn)矩設(shè)定是指，根據(jù)公式(4)對實際大氣密度進行計算，進而根據(jù)公式(5)進行轉(zhuǎn)矩整定值的計算。

本發(fā)明提供了一種基于大氣密度變化實時調(diào)整風(fēng)電機組槳距設(shè)定值的方法，在分析機組轉(zhuǎn)矩與大氣密度之間聯(lián)系的基礎(chǔ)上，建立二者之間的映射關(guān)系，在大氣密度發(fā)生明顯變化時，調(diào)整轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，改變了機組設(shè)計階段確定的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線對大氣環(huán)境變化缺乏自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)能力的現(xiàn)狀。本發(fā)明將密度變化導(dǎo)入轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)設(shè)定值的整定計算部分，將轉(zhuǎn)矩由原來是轉(zhuǎn)速的單值函數(shù)變?yōu)檗D(zhuǎn)速、密度的函數(shù)，從而將轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線由原來的一條變?yōu)橐淮亍Ｐ路椒ㄊ箼C組具備了對環(huán)境很好的適應(yīng)性，在季節(jié)和濕度變化導(dǎo)致密度發(fā)生變化時，機組均能自動調(diào)整轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，改善了機組運行功率曲線，在機組最佳葉尖速比運行段能較好地實現(xiàn)控制策略。

本發(fā)明在場級大氣監(jiān)測裝置、場級監(jiān)控系統(tǒng)、機組主控plc之間建立了聯(lián)系，大氣監(jiān)測裝置將滿足控制精度和采樣周期要求的大氣壓力、濕度等參數(shù)輸入監(jiān)控系統(tǒng)，同時機組控制器將機組點位處的環(huán)境溫度輸入監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)溫度、壓力、濕度等參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)可計算出大氣實測密度再輸入機組主控plc，plc依據(jù)實測密度參照基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線整定電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的步驟示意圖。

圖2為本發(fā)明的流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。

實施例1：

如圖1圖2所示，首先選擇實施技術(shù)改造的風(fēng)場和機組，風(fēng)場應(yīng)有測量大氣壓力、濕度的傳感器，測量精度和周期滿足控制要求，且該傳感器能對物理量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，測量裝置有相應(yīng)的通訊裝置和接口，具備將變量上傳至其他平臺，與其他系統(tǒng)進行信息交互的通道。實施改造機組的葉片、齒輪箱等大部件沒有質(zhì)量缺陷，各子系統(tǒng)(如測風(fēng)裝置、變槳偏航系統(tǒng)等)運行正常，機組主控系統(tǒng)通訊接口開放。

收集機組設(shè)計功率曲線、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線及其對應(yīng)的大氣參數(shù)(含：大氣溫度、壓力、密度、濕度)。

大氣壓力表、濕度計采樣頻率滿足主控系統(tǒng)控制周期要求，利用場級監(jiān)控建立大氣測量裝置與機組plc通訊的媒介，調(diào)通監(jiān)控系統(tǒng)至大氣測量裝置、實施機組plc的通訊接口。

以一定頻率采集大氣壓力、濕度，將實施機組自測的環(huán)境溫度輸入監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)壓力、溫度、濕度參數(shù)計算大氣實時密度，輸入機組plc控制器。

利用主控系統(tǒng)plc組態(tài)軟件，編輯主控程序源代碼，將轉(zhuǎn)矩控制設(shè)定值由跟蹤轉(zhuǎn)速變化變?yōu)楦欈D(zhuǎn)速和密度變化，從而將轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線由原來的一條變成一簇，在確定轉(zhuǎn)速下，機組根據(jù)實測大氣密度在一定區(qū)間內(nèi)進行設(shè)定值整定。機組主控單元將計算好的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值輸入變流器控制器，變流器控制器接收到轉(zhuǎn)矩整定值后與當(dāng)前轉(zhuǎn)矩進行比較計算出下一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)的勵磁電流調(diào)節(jié)值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)整。由于大氣環(huán)境變化頻繁，加之轉(zhuǎn)速的變化也呈現(xiàn)較強的隨機波動性，因此導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的調(diào)整也必然較為頻繁，在實際工程應(yīng)用中，設(shè)立了調(diào)節(jié)死區(qū)，避免變流器持續(xù)頻繁動作，影響調(diào)節(jié)效果。

實施例一：

寧夏某風(fēng)場冬夏兩季溫度相差30℃，不考慮濕度的情況下典型日的密度分別為0.937kg/m³和1.04kg/m³，密度相差11％，根據(jù)機組運行原理，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值也應(yīng)等比例提高11％，有功功率也相應(yīng)提高。機組原始轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行曲線參照的大氣參數(shù)是設(shè)計工況大氣參數(shù)，與冬夏兩季大氣實際參數(shù)有很大出入，冬季空氣密度較大，機組不能適當(dāng)提高轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，導(dǎo)致捕捉功率有很大損失；夏季空氣密度偏小，機組轉(zhuǎn)矩設(shè)定不當(dāng)，轉(zhuǎn)速偏離最優(yōu)葉尖速比，捕捉效率偏低。為準(zhǔn)確反應(yīng)大氣環(huán)境變化對機組運行控制的影響，有必要對機組控制進行改造。

該風(fēng)場建有測風(fēng)塔，分別對不同高度處的風(fēng)速、風(fēng)向進行測量，能對溫度、氣壓、濕度進行監(jiān)測，并將測量、監(jiān)測結(jié)果存入塔體的數(shù)據(jù)記錄儀中，但該記錄儀無法將數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入場級監(jiān)控系統(tǒng)，同時場級監(jiān)控系統(tǒng)也無法計算大氣實時密度，并將此密度輸入機組plc。因此需首先對大氣監(jiān)測裝置、場級監(jiān)控系統(tǒng)、機組plc之間的通訊進行改造，對通訊協(xié)議進行統(tǒng)一和轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)傳輸速度、準(zhǔn)確度滿足控制環(huán)節(jié)要求；在場級監(jiān)控系統(tǒng)中加入空氣密度換算算法，改造機組plc主控程序，建立密度與機組轉(zhuǎn)矩設(shè)定環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。

初期將空氣密度引起的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值變化按照四段“臺階”的形式分段變化，“臺階”內(nèi)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值不發(fā)生變化，當(dāng)密度變動幅值超過“臺階”時，可根據(jù)變化幅度按比例調(diào)整轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。在實際運行中，大氣監(jiān)測裝置以ms級的采樣頻率將大氣壓力、濕度等參數(shù)采集過濾后送出場級監(jiān)控系統(tǒng)，機組控制器將機位處的大氣溫度采樣后也送入場級監(jiān)控系統(tǒng)，場級監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過密度換算后，將此密度再送回機組主控，控制器接收到大氣實測密度開始轉(zhuǎn)矩整定，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

排除機組發(fā)生故障等特殊情況，在正常發(fā)電狀態(tài)下，同等風(fēng)速輸入，統(tǒng)計測試階段發(fā)電量，發(fā)現(xiàn)改造后的機組發(fā)電量均高于改造前。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發(fā)明專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。